機動車曲軸的失效分析.doc

譯文： 機動車曲軸的失效分析 汽車的災(zāi)難性故障及其曲軸的失效分析的案例研究。曲軸的曲柄銷在使用3年后遭受機械問題，即使被被修復(fù)后，在車輛行駛30000公里后也非?？赡茉谙嗤奈恢迷俅螕p壞而導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生。曲柄銷的橫向宏觀圖顯示,曲柄銷糾正,充滿了相同的公稱直徑的金屬合金。兩個疲勞裂紋增長的中心曲柄銷,最后發(fā)生斷裂。對稱半橢圓形裂紋前緣交變彎曲引起災(zāi)難性故障。1.介紹 機動車曲軸一般在高旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn),在700至8000轉(zhuǎn)/分,根據(jù)車輛的發(fā)動機類型。柴油發(fā)動機通常低于4000轉(zhuǎn)/分下運行。然而在這個旋轉(zhuǎn)范圍,發(fā)動機重大失衡可能出現(xiàn)。曲軸失效的共同根源是由于疲勞現(xiàn)象。大部分的損失發(fā)生在曲柄銷接近角焊縫和潤滑孔存在高應(yīng)力水平臨界區(qū)。不足的設(shè)計、組裝或不足發(fā)動機運行、軸失調(diào)、錯誤的幾何學(xué)角焊縫以及異常振動最可能導(dǎo)致發(fā)動機損壞。 在過去的幾十年中，金屬材料的疲勞壽命預(yù)測一直是個主要問題。,它最初被認(rèn)為是一個問題是在19世紀(jì)早期,當(dāng)調(diào)查人員發(fā)現(xiàn),橋梁和鐵路組件受到重復(fù)載荷時開裂。關(guān)于軸在旋轉(zhuǎn)彎曲,Wohler1為了獲得其疲勞極限提出了疲勞強度曲線(S-N曲線)。后來,在第二次戰(zhàn)爭時,高夫2在金屬的耐疲勞應(yīng)力相結(jié)合（即反向彎曲與扭轉(zhuǎn)循環(huán)相結(jié)合）下發(fā)表重要的實驗測試結(jié)果,。廣泛的疲勞失效情況下可以在著名的ASM金屬手冊下查到。 動力軸的裂縫,如曲軸的裂縫,一般從表面開始，在復(fù)雜加載，循環(huán)彎曲與扭轉(zhuǎn)相結(jié)合等各種狀態(tài)下加大。這種應(yīng)力狀態(tài)來自循環(huán)彎曲應(yīng)力之間由于自重造成或最終偏差主軸頸軸承在連續(xù)旋轉(zhuǎn)的軸造成的。 這些循環(huán)的彎曲分析和穩(wěn)定扭轉(zhuǎn)了得出的結(jié)論是,壽命增加被認(rèn)為是由于低頻變化扭轉(zhuǎn)加載。在另一個主機曲軸故障進行了分析,認(rèn)為問題的根源是曲柄銷上的裂紋萌生。同樣的原因是疲勞失效的主要原因。 柴油機存在兩種不同來源的負(fù)載，即慣性和燃燒導(dǎo)致的曲軸彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷:慣性旋轉(zhuǎn)部件如連桿、適用于曲軸和發(fā)動機。第二個載荷源是由于可燃混合氣在每個氣缸燃燒產(chǎn)生的力通過連桿對曲軸的影響。壓力作用于曲軸，引起彎曲和扭轉(zhuǎn)。圖1顯示了彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷的變化情況,在單缸發(fā)動機轉(zhuǎn)速3600轉(zhuǎn)，根據(jù)作用于曲軸的合力的大小做的曲軸角函數(shù),但可以擴展到任何柴油發(fā)動機機。 作用在曲軸上的彎曲負(fù)荷力的方向指向曲柄半徑的中心。在許多負(fù)載分析研究中，曲軸扭轉(zhuǎn)載荷是被忽視的，因為曲軸的扭轉(zhuǎn)載荷很小，不到彎曲載荷的百分之十11,當(dāng)彎曲負(fù)荷達到最大值時，扭轉(zhuǎn)載荷的大小為零,見圖1,原因是因為最大的彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷發(fā)生在不同的時間。因此考慮扭轉(zhuǎn)負(fù)荷對整個動態(tài)加載條件并沒有影響，馮米塞斯應(yīng)力在強調(diào)位置和曲軸分析可以簡化為只應(yīng)用彎曲荷載。曲軸上的幾何關(guān)鍵位置都是局部高應(yīng)力梯度的角區(qū),因為導(dǎo)致高應(yīng)力集中,因而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確確定失效的區(qū)域。 大多數(shù)曲軸通常通過鋼筋或韌性鋼滾鍛。直徑被設(shè)計用來提供足夠的抗扭強度。其中最高度強調(diào)引擎組件,它們是設(shè)計的一個重要安全限制,以不超過材料的疲勞強度。高循環(huán)疲勞載荷,以及應(yīng)力集中在關(guān)鍵幾何區(qū)域的影響,有時會導(dǎo)致裂紋萌生，盡管平均強度無法聯(lián)系到材料的疲勞極限。但是曲軸存在特定的差異,見圖2,將活塞的直線運動,將活塞的往復(fù)位移轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。他們受到旋轉(zhuǎn)彎曲加上扭力和交變彎曲，曲柄銷由于其平移運動,扭轉(zhuǎn),可能被認(rèn)為是由于準(zhǔn)靜態(tài)穩(wěn)定曲軸的扭轉(zhuǎn)。 裂縫開始在表面上，由于旋轉(zhuǎn)彎曲（循環(huán)模式I ）時，有主軸頸或不平衡，由于配重效果的一些偏差。扭轉(zhuǎn)載荷不扭轉(zhuǎn)，盡管它有一些循環(huán)載荷的變化。因此,扭轉(zhuǎn)只能影響疲勞裂紋增長速度。實驗表明,穩(wěn)定的扭力,不是循環(huán)扭轉(zhuǎn),增加每一根軸的生命周期(3、4)。扭轉(zhuǎn)載荷改變裂紋路徑和疲勞形態(tài)就像一個工廠的屋頂，在鋸齒形路徑。一些疲勞裂紋從曲柄銷圓角增長模式III,但是裂紋張開的起源是由純模式(純交變彎曲,不旋轉(zhuǎn)彎曲)。有時斜裂紋路徑45似乎因為潤滑孔從圓角改變初始裂紋路徑。如之前所述，在曲柄銷沒有扭轉(zhuǎn)，雖然存在由于連接桿的動作力和曲柄網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載一些剪切應(yīng)力。 裂紋普遍發(fā)生的地點主要是在曲柄銷，網(wǎng)魚片，以及對主軸頸圓角和潤滑孔。彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞裂縫也有類似的特點:平滑表面裂縫面孔與海灘痕輻射遠離裂紋萌生網(wǎng)狀,直到最終韌性斷裂。彎曲或扭轉(zhuǎn)疲勞裂紋魚片增長，除非主軸頸或連桿軸頸油孔改變自己的路徑。該油通過在軸承的中央周向槽供給和它完全圍繞主軸頸表面的中心區(qū)域。對角線油孔中穿過主要和大端期刊之間的腹板的大端軸頸的潤滑曲軸提供。這些油孔必須進行倒角，以減少應(yīng)力集中。需要一個嚴(yán)格的，可控的制造工藝，以及仔細的組裝和維修。但同樣明顯的是絕對需要的了解的故障和故障分析，以避免復(fù)發(fā)和防止故障，可以在相同的負(fù)載條件下運行的類似設(shè)備。因此，疲勞失效分析這里有一個重要的作用，并能與設(shè)計的改進，材料選擇，制造工藝，以及檢查和維修方法很有幫助。本研究旨在分析汽車的曲軸災(zāi)難性故障，本研究旨在分析機動車的曲軸災(zāi)難性故障的根源。 圖1 連桿上的彎矩，扭矩及其合力 圖2 一個典型的曲軸與主命名的示意圖。 （1. crank-web曲柄臂 2.main journal主軸頸 3.main bearing journal主軸承軸頸4.crank pin曲柄銷 5.crankpin oil hole曲柄銷油孔 6.counterweight對重裝置 ）2 .歷史材料和損害 90HP的柴油發(fā)動機的曲軸在2500轉(zhuǎn)/分時有180N*M的扭矩。該材料是由SAE 1045冷卻而得到的典型的金屬合金，拉拔，鍛造，歸一化。對于這種鋼材公稱抗拉強度約為625兆帕，屈服強度530兆帕。硬度進行測量，在曲軸的曲柄銷等的硬度測量顯示出相似的硬度。該曲軸的質(zhì)量為21公斤和560毫米的長度。主軸承和連桿進行測定，發(fā)現(xiàn)52.5毫米和59.5毫米曲柄銷和主軸頸直徑。圖 2顯示了曲柄銷曲軸沒有斷裂。 圖 3顯示了兩個破損的部件（一）及（b ）一個特寫，其中疲勞裂紋的表面是可見的。在正常運行3年左右后，車輛馬達失效，曲柄銷沒有。 曲軸2出現(xiàn)震動不正常。電機被修復(fù)，其中包括在曲柄銷運行后30000公里電機再次失敗。圖3和4分別顯示了2號曲柄銷出現(xiàn)裂隙3,結(jié)果與討論2號曲柄銷的展示一個獲得了宏觀和微觀以及從內(nèi)部向外部曲柄銷表面維氏硬度圖,。圖5a和b顯示了所觀察到的，這種曲柄銷精餾至48.5毫米直徑的，然后通過添加一種金屬合金層的公稱尺寸，即52.5毫米重建宏觀形貌。熱量的熱區(qū)（HTZ）的金屬基體和所添加的金屬合金之間也觀察到的，見圖4。 在曲柄銷的橫向表面測量，從中心到外側(cè)的平均維氏硬度為以下內(nèi)容：210 HV（曲柄銷金屬基峰），286 HV（HTZ），和HV185（添加金屬合金），極限強度約為672兆帕這是與這個典型的鍛鋼一致。 在基體金屬的亞共析鐵素體 - 珠光體組織顯露在不同的放大倍數(shù)也是典型的這種鋼的，參見圖圖6a和b。 圖3 斷裂的2號曲柄銷 圖4 特寫折斷的曲柄銷，（a和b）顯示了第一和第二裂紋萌生 （crack initiation裂紋萌生）、 圖5 曲柄銷的橫向區(qū)域的宏觀形貌 （fillet圓角 ） 圖6 曲軸材料的兩種顯微照（放大倍數(shù)a：200 b：500 ） 圖7表示基體金屬（BM）的顯微照片，并填充金屬合金層（FMA）：（1）硬化的微觀界面（HTZ）和（b）中加入金屬合金。填充的金屬合金層的微觀結(jié)構(gòu)是非常不同的基體金屬，見圖6b。 圖8顯示了兩個組合在一起斷裂表面破碎的曲柄銷。斷口形貌的檢查顯示，其中出現(xiàn)棘輪步驟和傳播的兩個不同的區(qū)域，靠近中心是平坦光滑的斷裂面。從橫向曲柄銷獲得宏觀圖顯示它被整流，并填充有2.0毫米厚的金屬合金層，見圖5 b。斷口形貌顯示曲柄銷網(wǎng)圓角的前身周向和徑向約1.5毫米的長度約45裂紋。在圖8中白色箭頭顯示兩個主要的裂紋擴展方向裂縫，從圖4 b中所示的點,第一個裂紋萌生，而曲柄銷的中心徑向增長,直到最終斷裂。斷裂形態(tài)清晰的顯示在一個相對較低的疲勞裂紋增長速度疲勞失效過程。曲柄銷上的疲勞失效發(fā)生的反向彎曲(模式)在高應(yīng)力集中在曲柄銷圓周，對應(yīng)于較低的彎曲載荷與疲勞斷裂形態(tài)一致。上部和底部主要裂縫深度不同是由于所受的彎曲應(yīng)力不同的結(jié)果，曲柄銷只有平移運動,而不是旋轉(zhuǎn)。由于電機的啟動和停止，主要裂縫表面顯示半橢圓形裂紋前緣形狀。 棘輪是觀察到一開始的主要裂縫(1.5毫米深偏45)生產(chǎn)時在不同的周向裂紋成核點和創(chuàng)建脊斷裂表面聯(lián)系在一起。 圖9a顯示了為了獲得初始裂紋的從徑向樣品。圖9b這里所確定的附加的金屬合金層，與基體金屬，以及HTZ接口和焊接的一些缺陷。初始圓周裂紋路徑揭示了一個小的彎曲載荷的上曲柄銷卷片在基底金屬的界面與添加的金屬合金層的高應(yīng)力集中下的效果。初始裂紋路徑45傾斜，在模式I ，是充滿金屬合金上的曲柄銷。 2 ，見圖5和9b ，曲軸因不良的修復(fù)和曲軸的偏差上組裝，或不充分的軸頸軸承或軸承和之間不均勻的接觸，不適當(dāng)?shù)某C正，可能會產(chǎn)生對曲柄銷卷材圓角一個顯著彎矩。在最終錯位的結(jié)果，在曲軸的關(guān)鍵點附加的振動也可以向疲勞過程。曲軸248的材料也是在曲柄銷卷材圓角區(qū)域本地冶金缺陷敏感?？傊?，在災(zāi)難性故障可以歸因于以下的一些原因： （1）不足的附加金屬的合金，（2）由于沒有修復(fù)的曲柄銷表面的熱處理;關(guān)于軸頸軸承的曲軸（3）可能不對中; （4）在深整流的后果曲軸不平衡; （5）曲軸可能不是在組裝之前沒有動態(tài)測試是曲軸動平衡試驗非常重要的。 圖7 曲柄銷材料顯微照片圖8 兩個曲柄銷碎片（a和b），其中結(jié)合在一起的，而白色箭頭這表明存在兩個主要的裂紋 圖9 （a）銷區(qū)徑向樣本,(b)金屬合金宏觀圖。（added metal layer interface添加金屬層界面 crack initiation裂紋萌生 main crack主裂紋）4 .結(jié)論 曲柄銷的斷裂面的形貌表明,疲勞是災(zāi)難性故障的根本原因。在曲柄銷的圓角裂紋萌生區(qū)是在基體金屬的界面上，并添加金屬合金層，也通過焊接的HTZ加重。由于沒有對附加的金屬合金表面熱處理以及可能未對準(zhǔn)曲軸，都一定促成了這種過早的災(zāi)難性故障，當(dāng)發(fā)生不規(guī)則震動發(fā)生作并移除材料超過小限制，曲軸應(yīng)被一個額外的金屬合金取代5參考文獻1 Wohler A. ber die Festigkeitsversuche mit Eisen und Stahl. 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